Пол Девис - Суперсила

• Название: Суперсила
• Автор: Пол Девис
• Издательство: Мир
• Жанр: Физика
• Год: 1989
• ISBN: 5-03-000546-3

Наука во все времена стремилась построить целостную картину окружающего мира. В последние десятилетия физики как никогда приблизились к осуществлению этой мечты: вырисовываются перспективы объединения четырех фундаментальных взаимодействий природы в рамках одной суперсилы, и физика микромира все теснее сливается с космологией – теорией происхождения и эволюции Вселенной.

Обо всем этом в популярной и увлекательной форме рассказывает книга известного английского ученого и популяризатора науки Пола Девиса (знакомого советскому читателю по книге “Пространство и время в современной картине Вселенной”. – М.: Мир, 1978).

Адресована всем, кто интересуется проблемами современной фундаментальной науки, особенно полезна преподавателям и студентам как физических, так и философских факультетов вузов.

---

Для осуществления этой идеи, очевидно, необходимо придумать физический механизм, который нарушал бы симметрию между веществом и антивеществом, считавшуюся по традиции одним из нерушимых законов физики. В конце 70-х годов физики нашли такой механизм нарушения симметрии в виде теорий Великого объединения (ТВО). Как отмечалось в предыдущих главах, одним из самых сенсационных предсказаний ТВО явилось предсказание распада протона с образованием позитрона. Связь между распадом протона и асимметрией вещества и антивещества можно усмотреть в возможной судьбе атома водорода (состоящего из протона и электрона) в отдаленном будущем. При распаде протона образуются пион и позитрон. Пион распадается на два фотона, а позитрон аннигилирует с электроном, создавая еще два фотона. Итак, атом вещества прекращает свое существование, превращаясь целиком в излучение. В результате этого процесса вещество, не взаимодействуя с антивеществом, полностью переходит в энергию излучения. Вспомним теперь, что каждый физический процесс обратим; в данном случае это означает прямое превращение энергии излучения в вещество, не сопровождающееся образованием антивещества. Именно такой процесс, значительно ускоренный, мог бы объяснить возникновение вещества.

Чтобы детально смоделировать процесс рождения Вселенной, необходимо вернуться к так называемой эре ТВО, т.е. сместиться во времени еще на двадцать порядков относительно эры электрослабого взаимодействия, о которой мы говорили в предыдущем разделе. Это означает попытку описать Вселенную в возрасте всего лишь 10^-32 с! В этот момент космос был бы заполнен «супом» из странных, неведомых нам частиц, в том числе чрезвычайно массивных; плотность «супа» составляла по оценкам около 10^73 кг/м^3, а температура – около 10^28 К. Вселенная в тот момент была еще столь юной, что свет не успел пройти путь, равный миллиардной доле поперечника протона.

Важнейшими составляющими экзотического супа были, вероятно, сверхмассивные частицы – переносчики взаимодействия в ТВО, так называемые Х-частицы, о которых упоминалось в гл.8. Именно эти частицы привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества. Дело в том, что при распаде Х-частицы образуется много дочерних частиц, которые, например, на 2/3 представляют собой вещество, и лишь на 1/3 – антивещество. Точное значение такой асимметрии зависит от принятой формы ТВО. Но в любом случае распад Х-частицы ведет к преобладанию вещества над антивеществом.

Следует, однако, учитывать еще одно обстоятельство. Первичный «суп» содержит наряду с Х-частицами и их античастицы, обозначаемые обычно X'. Напомним, что мы предполагаем исходную симметрию Вселенной, а это означает, естественно, равенство чисел Х– и X' -частиц. Но тогда при распаде Х асимметрия должна быть обратной, т.е. 2/3 должно составлять антивещество, и лишь 1/3 – вещество.

Для выхода из этого тупика теоретики предположили, что должно существовать фундаментальное различие скоростей распада Х– и X' -частиц. В таком случае распады Х не полностью компенсируют распады X', причем различие в пользу Х составит, повидимому, не более одной стомиллионной доли, что приведет к соответствующему преобладанию вещества над антивеществом.

Насколько разумно подобное предположение? Физики бывают проницательными историками, особенно когда дело касается предмета их исследований. Они никогда не забывают уроков истории, если вопрос идет о создании новых теорий. Один из таких уроков был преподнесен в 1956 г. Два американских физика китайского происхождения Т. Д. Ли и Ч. Н. Янг произвели переворот в существовавших представлениях, заявив, что слабые взаимодействия нарушают считавшееся «неприкосновенным» свойство природы, известное как зеркальная симметрия. До этого момента физики полагали, что силы природы не различают «правого» и «левого». Разумеется, в природе существует много объектов с «врожденной» спиральностью; наиболее известный пример – молекула ДНК. Эта молекула по форме сходна с винтовой лестницей, закрученной вправо. И хотя в природе нет левовинтовых молекул ДНК, ни один из фундаментальных законов физики не запрещает их существования. Тот факт, что жизнь на Земле построена на основе правовинтовых молекул ДНК, скорее всего говорит о том, что первые способные к самовоспроизводству молекулы оказались именно такой формы. Это хороший пример спонтанного нарушения симметрии: реальная структура асимметрична, тогда как лежащие в ее основе физические взаимодействия симметричны.

Когда физик утверждает, что существующие в природе взаимодействия зеркально симметричны, он подразумевает, что вызванные этими взаимодействиями фундаментальные процессы в зеркале выглядят столь же реально, как и при непосредственном наблюдении. Представим, например, что мы запечатлели на кинопленку распад частицы, а затем зарядили в проектор перевернутую пленку. Если вызывающие распад взаимодействия обладают свойством зеркальной симметрии, то ни один физик не заметит подвоха.

Долгое время предполагалось, что субатомные частицы не отличают «правого» от «левого», и это даже не считали нужным проверять на опыте. Но вот явились Ли и Янг со своим предположением, а американка китайского происхождения мисс Ч. С. By вскоре поставила нужный эксперимент, и тогда ко всеобщему изумлению выяснилось, что Ли и Янг были правы. Слабое взаимодействие действительно нарушает зеркальную симметрию. Опыт By, в котором отдельно измерялось число электронов, испускаемых влево и вправо точно ориентированными ядрами радиоактивного кобальта, ознаменовал поворотный пункт в физике. После этого опыта ни одной из симметрий уже не гарантировалась неприкосновенность!

В 1964 г. последовало новое потрясение. Большой интерес вызывало загадочное поведение особой частицы, называемой нейтральным К-мезоном, или каоном. Представление о нарушении зеркальной симметрии к этому времени стало общепризнанным, однако считалось, что античастицы нарушают зеркальную симметрию в противоположном смысле по сравнению с частицами. (Как правило, античастицы проявляют свойства, противоположные свойствам частиц.) Если бы это было всегда справедливо, то в процессе Большого взрыва во Вселенной не могло бы возникнуть преобладание вещества над антивеществом. Действительно, для любого процесса рождения частицы существовал бы зеркальный процесс, в котором рождалась античастица. Особенности нейтрального К-мезона, представляющего собой некий гибрид частицы и античастицы, дали возможность проверить справедливость этих представлений.

Решающий эксперимент провели В. Л. Фитч и Дж. У. Кронин в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Они установили, что частицы и античастицы нарушают зеркальную симметрию не противоположно друг другу и не в равной степени – по крайней мере для нейтральных К-мезонов. Здесь также наблюдалось совсем небольшое, но исключительно важное нарушение симметрии, отражающее фундаментальный разбаланс сил природы, ответственных за некоторые распады частиц; тем самым было найдено конкретное экспериментальное подтверждение асимметрии между веществом и антивеществом.

В конце 70-х годов теоретики приступили к созданию модели фазы ТВО в Большом взрыве на основе предположения, что указанная выше асимметрия действительно присуща силе, господствующей в ТВО. По оценкам асимметрия между веществом и антивеществом характеризуется отношением (10^9+1):10^9 . Это означает, что на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. Несмотря на малость этого эффекта оказалось, что он играет решающую роль. По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом и при этом почти все вещество исчезало. «Почти», а не целиком, – поскольку имеется избыток вещества над антивеществом в одну частицу на миллиард. Именно этот крошечный остаток – своего рода оплошность природы – и послужил материалом, из которого построено все, включая нас самих. Итак, мы пришли к тому, что все вещество Вселенной является реликтом эры ТВО, длившейся всего 10^-32 с с момента рождения Вселенной.

Если доверять проведенному анализу, то следует считать, что подавляющая часть вещества, возникшего в процессе Большого взрыва, исчезла до истечения нескольких первых секунд – а вместе с ним исчезло и все космическое антивещество. Теперь мы знаем, почему во Вселенной так мало антивещества. Однако, исчезнув, оно оставило о себе память в виде энергии. В результате аннигиляции вещества с антивеществом возникало около миллиарда гамма-квантов на каждый уцелевший электрон или протон. К настоящему времени в результате расширения Вселенной это гамма-излучение «остыло», образовав так называемое фоновое тепловое излучение, заполняющее Вселенную. Помимо энергии, заключенной в веществе, значительная часть энергии Вселенной приходится на фоновое тепловое излучение. Таким образом, мы располагаем теорией, которая не только объясняет происхождение вещества, но и указывает правильное соотношение количества вещества и энергии во Вселенной.